一种Y波导调制器残余强度调制在线测试装置及其在线测量方法

摘要

本发明公开了一种Y波导调制器残余强度调制在线测试装置及其在线测量方法，装置包括检测光路模块、检测电路模块和上位机；装置的工作原理是光源把光信号送到Y波导调制器，Y波导调制器输出分支一端连接到探测器，通过探测器光电转换后，再经电平抬升电路、滤波电路、高速A/D转换芯片，由FPGA将信号处理，最后通过RS232串口发送给上位机显示。本发明通过设计Y波导调制器的残余强度调制在线测试装置，可以直接快速得到残余强度调制的绝对大小，解决精度低，测量速度低的问题，提供一种客观的实时在线的方法，相对于现有的示波器、锁相放大以及频谱分析等方法，测量精度更高，速度更高，功能更完备。

说明书

技术领域

本发明属于集成光学器件的性能测试领域，具体指的是一种基于FPGA的快速测试Y波导调制器残余强度调制的在线测试装置及其在线测量方法。

背景技术

光纤陀螺是一种全固态纯光学惯性器件，基本原理是萨格纳克(Sagnac)效应和光学互易性。光纤陀螺的光路部分主要由光学器件、保偏光纤环和探测器组成。其中，光学器件包括宽带光源、光纤耦合器和Y波导调制器；Y波导调制器集成了分束器、偏振器和宽带相位调制器，起到了分光合光、起偏检偏和光相位调制的功能，是光路部分的重要部件。

通常，在光纤陀螺中，通过Y波导的光波除受到相位调制外，还存在一定幅度的残余强度调制。残余强度调制的产生主要有三种机理：(1)Y波导端面未磨斜，存在一定菲涅尔光的反射，两个端面之间形成F-P腔，调制产生的光相位变化带来的透射光的强度变化。如果给端面加斜度，此现象不明显，已不是残余强度调制产生的主要原因；(2)在Y波导输入端面未进波导的输入光耦合进铌酸锂衬底中，在铌酸锂衬底底面反射后又在输出端耦合进输出光中，与输出光发生干涉造成输出光的强度发生变化；(3)如波导接近截止或接近高次模，调相产生波导有效折射率变化，使波导进一步进入截止区损耗增加或基模部分转换为高次模，基模与高次模的附加耦合损耗和传输损耗不一样，相位调制会伴随着强度调制，此时产生的强度调制与调制电压成线性关系。

光纤陀螺用相位调制器的残余强度调制直接影响标度因数稳定性。对开环光纤陀螺，在调制器存在内静电压时，残余强度调制对标度因数稳定性影响的大小与调制器两分支残余强度调制系数的差和内静电压成正比；对数字闭环方式，残余强度调制不仅直接影响标度因子稳定性，也影响由2π复位环路确定的调制信号最高电压而间接影响标度因子稳定性。影响的大小与调制器两分支残余强度调制系数的差成正比，与电光系数成反比。残余强度调制信号在萨格耐克干涉信号生成时参与其中，成为强度偏置信号，会造成光纤陀螺零位漂移和标 度因数误差，形成误差项影响陀螺的精度，因此，必须加以抑制消除。通常要求残余强度调制小于0.1％，更高要求其小于10^-5。

目前，现有的测量Y波导调制器的残余强度调制的方法中，采用示波器直接测量虽然可以很直观地测量残余强度调制的大小，但是需要人工测试，测量速度慢、效率低，又不能方便快速地分析残余强度调制的误差源。采用锁相放大解调出残余强度调制的方法，只能对指定的频率分量进行放大，如果调制信号采用锯齿波，除了参考信号频率外的其他频率分量不会被放大，因此这种测量方法只适合于调制信号为正弦波的情况。还有一种方法是采用频谱分析的方法，通过模数转换器将信号采集，然后将时域信号转换到频域进行频谱分析，这种方法只能对各个频率分量进行定量计算，也不能直观地分析残余强度调制的机理。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种Y波导调制器残余强度调制在线测试装置及其在线测量方法，实时快速准确测试Y波导调制器残余强度调制，可以通过测量残余强度调制分析得到产生残余强度调制的误差源所占的比例，为分析Y波导调制器的导光特性以及Y波导调制器残余强度调制对于光纤陀螺性能影响提供基础。

一种Y波导调制器残余强度调制在线测试装置，包括检测光路模块、检测电路模块和上位机；

装置的工作原理是SLD光源把光信号送到Y波导调制器，Y波导调制器输出分支一端连接到探测器，通过探测器光电转换后，再经电平抬升电路、滤波电路、高速A/D转换芯片，由FPGA将信号处理，最后通过RS232串口发送给上位机显示。

检测光路模块包括SLD光源、Y波导调制器、探测器，将光源的输出尾纤与Y波导调制器的输入光纤熔接，Y波导调制器一臂输出尾纤与光电探测器输入光纤熔接，实现将光源发出的光在信号源输出的调制电压的作用下，产生残余强度调制，最后通过探测器光电转换后输出。

检测电路模块包括信号调理电路、高速AD转换电路以及数字处理芯片，主要实现的功能是将探测器输出的含有残余强度调制的电信号通过AD采集接入数字处理芯片进行数字信号处理，并实现与上位机接口的传输。

数字处理芯片采用xilinx公司Spartan-6系列的FPGA，通信接口采用RS232串口，调试 模块采用JTAG接口；电源模块采用直流电源供电。

信号调理电路包括电平抬升电路和滤波电路，电平抬升电路实现抬升残余强度调制信号的直流成分，滤波电路主要实现噪声的滤除，提高信号的信噪比，防止AD采样时的频率混叠。

上位机主要实现数据处理结果的显示，主要包括残余强度调制绝对大小显示、交流信号峰峰值大小显示、直流信号大小显示、残余强度调制曲线显示、调制电压引起的线性机理的波形和杂散光与输出光的干涉机理的波形，这样设置面板既可以实时残余强度调制信号波形及大小的变化，又可以直观地分析残余强度调制的机理。

一种Y波导调制器残余强度调制在线测量方法，包括以下几个步骤：

步骤一：光源未开启，高速AD转换电路采集探测器负偏电压加上偏置电压后的直流信号，输入至数字处理芯片；

步骤二：光源开启，探测器输出的残余强度调制信号输出至信号调理电路，电平抬升电路加上偏置电压后输出至滤波电路进行滤波，高速AD转换电路的另一路采集滤波电路输出的信号，输出至数字处理芯片；

步骤三：数字处理芯片对采集到的数据进行处理，计算残余强度调制大小，设采样频率为A，调制电压频率为B，一个周期内采集C个采样点，每D个点取一个平均值，一个周期内取C/D次，得到C/D个采样点，C为正整数，D为正整数，C/D为正整数，将C/D个采样点拟合出残余强度调制的波形，将C/D个点再做平均之后减去电源未开启不加光时采集得到的直流，得到残余强度调制的直流分量，用C/D个采样点每一个减去直流分量之后拟合出交流分量的波形，得到交流分量的峰峰值，计算交流与直流二者的比值得到残余强度调制的大小，输出至上位机；

步骤四：在上位机显示残余强度调制大小、交流信号峰峰值大小显示、直流信号大小显示，同时，拟合电源未开启、电源开启产生的波形并分析残余强度调制的产生机理，采用将每个周期里平均得到的C/D个点分别拟合出一条斜线和一条曲线，该斜线即为线性机理产生的结果，然后将曲线减去斜线再拟合出一条曲线，该曲线为干涉机理产生的结果，然后分别求得两种机理产生的波形所占的比例，对Y波导调制器的A端和B端进行对比。

本发明的优点在于：

(1)通过设计Y波导调制器的残余强度调制在线测试装置，可以直接快速得到残余强度调制的绝对大小，解决精度低，测量速度低的问题，提供一种客观的实时在线的方法，相对于现有的示波器、锁相放大以及频谱分析等方法，测量精度更高，速度更高，功能更完备。

(2)可以得到残余强度调制的波形，更形象客观的观察残余强度调制模场改变引起的线性和杂散光与输出光的干涉两种误差源所占比例，为进一步分析Y波导调制器的导光特性奠定基础。

(3)对于Y波导调制器对光纤陀螺的影响有技术性指导。

附图说明

图1是Y波导调制器残余强度调制在线测试装置原理图；

图2是Y波导调制器残余强度调制在线测试装置光路部分原理图；

图3是Y波导调制器残余强度调制在线测试装置电路部分原理图；

具体实施方式

下面将结合附图和实例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，一种Y波导调制器残余强度调制在线测试装置，包括检测光路模块、检测电路模块和上位机。

Y波导调制器残余强度调制在线测试装置及其在线测量方法为通过数字处理芯片实时采集模数转换之后的残余强度调制数字信号，并在数字处理芯片中处理之后通过串口通信发送给上位机，最后在上位机界面显示残余强度调制信号的大小及波形。

如图2所示，检测光路模块包括光源、Y波导调制器、探测器，具体工作过程：光源发出的光通过Y波导调制器产生残余强度调制信号，随后输入探测器光电转换。

如图3所示，检测电路模块包括信号调理电路、高速AD转换电路以及数字处理芯片。信号调理电路包括电平抬升电路和滤波电路。具体工作过程：由于探测器负偏电压的存在，残余强度调制信号的直流信号被掩盖了，因此需要将光电探测器输出的残余强度调制信号利用电平抬升电路加上一个偏置电压。由于探测器负偏电压会受光源光功率等影响而变化，偏置电压也会变化，因此具体在电路设计时采用一路AD进行两次采样。

一种Y波导调制器残余强度调制在线测量方法，包括以下几个步骤：

步骤一：不加光时用AD采集探测器负偏电压加上偏置电压之后的直流信号。

步骤二：加光之后，将光电探测器输出的残余强度调制信号利用电平抬升电路加上偏置电压后输出，由于这个输出信号含有较大的噪声，为提高信噪比，防止AD采样时的频率混叠，考虑对信号进行滤波来抑制噪声，最后，将滤波电路输出的信号在另一路AD采样后送入FPGA芯片进行分析计算。具体数据处理时，将加光之后采得的直流信号减去不加光时采得的直流信号得到真正需要的直流信号。

步骤三：对采集到的数据进行分析计算。对于残余强度调制大小的计算，假设采样频率为20MHz，调制电压的频率为1kHz，对于采集到一个周期内的20000个点，每500个点取一个平均值，最终一个周期内取40次平均得到40个点，这样通过平均的思想减小噪声，将这40个点拟合出残余强度调制的波形。然后将这40个点再做平均之后减去不加光时采集得到的直流即为残余强度调制的直流分量，用该40个点每一个减去直流分量之后拟合出交流分量的波形，得到交流分量的峰峰值，最后通过计算交流与直流二者的比值得到残余强度调制的大小。然后将计算结果通过RS232发送给上位机。

步骤四：在上位机拟合两种机理产生的波形并分析残余强度调制的产生机理。采用将每个周期里平均得到的40个点分别拟合出一条斜线和一条曲线，该斜线即为线性机理产生的结果。然后将曲线减去斜线再拟合出一条曲线，该曲线为干涉机理产生的结果。然后分别求得两种机理产生的波形所占的比例，对Y波导调制器的A端和B端进行对比并分析波导的导光特性。